Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы и состояние вопроса 3
1.1. Результаты экспериментальных исследований теплообмена при конденсации однокомпонентних паров криоагентов
1.2. Исследования процесса конденсации бинарных смесей
1.2.1. Физическая модель процесса
1.2.2. Аналитические исследования тепло- и массообмена при конденсации бинарной смеси
1.2.3. Экспериментальные исследования теплообмена при конденсации бинарных смесей 53
1.3. Выводы и постановка задачи исследования
ГЛАВА 2. Аналитическое исследование тепло- и массообмена при конденсации бинарной смеси криоагентов
2.1. Математическое описание процессов переноса в паровой области и пленке конденсата
2.2. Расчет процессов переноса при конденсации бинарной смеси на ЭВМ
2.3. Результаты расчета и их анализ
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование теплообмена при конденсаций бинарной смеси криоагентов
3.1. Описание экспериментальной установки Щ
3.2. Методика проведения эксперимента и обработки результатов
3.3. Оценка погрешности эксперимента 426
3.4. Результаты экспериментального исследования теплообмена при конденсации бинарных смесей азот-кислород, азот-аргон
ГЛАВА 4. Рекомендации к расчету теплообмена при конденсации бинарной смеси криоагентов
4.1. Анализ существующих методик расчета
4.2. Сравнение результатов аналитического и экспериментального исследования конденсации бинарной смеси
4.3. Анализ экспериментальных результатов по теплообмену при конденсации бинарной смеси криоагентов
4.4. Рекомендации к расчету теплообмена при конденсации бинарной смеси паров криоагентов..
Вывода
Литература
Приложения
- Результаты экспериментальных исследований теплообмена при конденсации однокомпонентних паров криоагентов
- Экспериментальные исследования теплообмена при конденсации бинарных смесей
- Расчет процессов переноса при конденсации бинарной смеси на ЭВМ
- Результаты экспериментального исследования теплообмена при конденсации бинарных смесей азот-кислород, азот-аргон
Введение к работе
Процесс конденсации, как способ передачи теплоты, находит широкое применение в криогенной технике. В первую очередь это относится к газоразделителышм установкам, в которых одним из основных теплообменных аппаратов является конденсатор-испаритель. Высокая интенсивность процесса переноса теплоты при конденсации обусловила, в известной степени, появление таких эффективных теплопередающих устройств как тепловые трубы и термосифоны, применяющиеся в системах охлаждения и криостатирования радиоэлектронных устройств, приемников излучения и т.п.
Поскольку процесс переноса теплоты при конденсации зависит от многих факторов, и в частности, от геометрии теплопередающей поверхности, ее ориентации относительно вектора гравитационного ускорения, теплофизических характеристик и состава конденсирующегося пара и образующейся жидкости, он до настоящего времени является объектом многочисленных исследований как в нашей стране, так и за рубежом [2.,12.-45,20, 55 b7J т
На сегоднешний день наиболее изучена конденсация однокомпонентного пара. Однако, в реальных аппаратах криогенной техники чаще реализуются процессы фазового перехода бинарных или многокомпонентных смесей. Более того, использование в криогенной технике многокомпонентных смесей специально подобранного состава, позволяющего заметно повысить эксергетических к.п.д. установок, есть одно из перспективных направлений ее развития .6,8 1
Необходимо отметить, что в зависимости от физических свойств компонентов, составляющих паровую смесь, конденсация подразделяется на следующие виды:
а) Конденсация в присутствии неконденсирующегося газа (один из компонентов смеси не может конденсироваться - при заданных условиях).
б) Одновременная конденсация компонентов смеси с образованием плохорастворимых жидкостей.
в) Одновременная конденсация компонентов смеси с образованием взаимнорастворимнх жидкостей.
Конденсация большинства смесей криоагентов, используемых в промышленных установках, соответствует условиям пункта в).
Состояние теоретических и экспериментальных исследований процесса конденсации смесей, образующих взаимнорастворимые жидкости, как будет показано ниже, заметно отстает от практических потребностей. Весьма ограниченное количество публикаций по данному вопросу дает лишь качественное представление о процессе и не может служить основой для проведения инженерных расчетов. Таким образом, задача исследования закономерностей тепло- и мас-сообмена при конденсации смесей является без сомнения актуальной.
Результаты экспериментальных исследований теплообмена при конденсации однокомпонентних паров криоагентов
Влияние состава пара на процессы переноса теплоты и массы может быть найдено при сравнении результатов полученных для смеси с данными по тепло- и массообмену при конденсации чистых веществ. Наиболее просто это влияние выявится в случае конденсации бинарной смеси.
Сравнение характеристик процесса должно осуществляться при одинаковых условиях протекания конденсации смеси и чистого пара. В тепломассообменных аппаратах криогенной техники часто реализуется конденсация пара на охлаждаемой поверхности теплообмена. Из-за хорошей смачиваемости поверхностей теплообмена чистые криоагенты, как правило, конденсируются с образованием пленки конденсата. При пленочной конденсации наблюдаются два режима течения пленки - ламинарный и турбулентный.
Условия протекания процесса конденсации как однокомпонентного пара, так и бинарной смеси на охлаждаемой поверхности теплообмена должны соответствовать условиям реализуемым на практике и опираться на существующую теорию, аналитические соотношения которой подтверждаются экспериментальными результатами. Этим требованиям отвечает теория Нуссельта для конденсации чистого неподвижного пара на вертикальной поверхности при ламинарном течении пленки конденсата 51 Согласно этой теории, среднее значение коэффициента теплоотдачи, как известно, можно вычислить по формуле Записанный результат получен аналитически с учетом следующих допущений: 1) Силы инерции, возникающие в пленке конденсата, пренебрежимо малы. 2) Перенос теплоты через пленку конденсата осуществляется только теплопроводностью. 3) Трение на границе раздела фаз отсутствует. 4) Температура границы раздела фаз Тп ,6 постоянна по высоте пленки и равна температуре насыщения Ts при заданном давлении пара Р . 5) Физические свойства конденсата не зависят от температуры. 6) Силы поверхностного натяжения на свободной поверхности пленки не влияют на характер ее течения. 7) Плотность пара пренебрежимо мала по сравнению с плотностью конденсата. Вопросы соответствия условий постановки задачи и выполнения наложенных допущений в теории Нуссельта условиям реализуемым в промышленных и экспериментальных установках разобраны на стр. W-AZ0. Экспериментальной проверке теории Нуссельта для различных конденсирующихся сред посвящено большое количество исследований [ ,45,0, 2,5 ,62 др. ]. В П5] приводятся результаты обобщения значительной части опытных данных по теплообмену при конденсации однокомпонентних паров, которые указывают на применимость теории Нуссельта. Количество экспериментальных исследований по конденсации криоагентов ограничено м,3б] .
В исследовалась пленочная конденсация неподвижных паров азота, кислорода, аргона на вертикальной поверхности. Удельная тепловая нагрузка в опытах изменялась от 350 до БТ/ьг. В работе отмечено существенное изменение температурного напора дТ= Ts Тст по высоте стенки. Поэтому при расчете коэффициента о( определялось осредненное значение дТ . При исследовании теплообмена на короткой трубке (d = 24/16 мм, Н = 0,2 м, реализуется ламинарный режим течения пленки конденсата) получена зависимость оС- і (лТ ) t показанная на рис. I.I. Аналогичные зависимости наблщались при конденсации азота и аргона.
Резкое снижение значений коэффициента с в области малых дТ , отмеченное в некоторых сериях экспериментов, авторы [4і3 объясняли выпадением кристаллов примесей, которые с увеличением тепловой нагрузки разрушаются и их влияние на процесс исчезает. Указанное уменьшение значений & относительно величин, расчитываемых по формуле Нуссельта, происходило при длительной работе установки. Первоначальные экспериментальные данные, снимаемые сразу после заполнения установки исследуемым криоагентом, не отличались от теоретических значений. Визуальное наблюдение процесса показало, как отмечают авторы ["Hi , что при снятии нагрузки примерно через 5 часов после начала опыта поверхность трубки оказывалась покрытой сеткой из цепочек мельчайших кристаллов мутно-белого цвета.
Экспериментальные исследования теплообмена при конденсации бинарных смесей
С целью получения расчетной эмпирической зависимости (1.20) авторы [%1 провели экспериментальное изучение процесса конденсации паров следующих бинарных смесей: этиловый спирт-вода, ацетон-вода, этиловый спирт-пропиловый спирт, этиловый спирт-бутиловый спирт.
При обработке опытных данных установлено, что критерии R . и А г практически не влияют на массообмен. В результате Бобе Л. С. и Оемихатов С.Н. в работе [І] получили следующую зависимость для расчета теплообмена при конденсации бинарной смеси углеводородов
Сложность практического применения соотношения (1.25) состоит в том, что входящие в выражение величины Х± и Чтоб можно определить только, зная значение температуры поверхности раздела фаз, а численные значения эмпирических коэффициентов требуют, в случае конденсации смесей другого состава, экспериментального подтверждения.
Эмпирическая зависимость для расчета теплообмена (1.25) была подтверждена в экспериментальных работах, посвященных исследованию тепло- и массообмена при конденсации смесей фреонов 12 и 22 на горизонтальных оребренных трубках 44,42J . Авторы работы [42] провели обработку опытных данных с целью получения зависимости,описывающей совместный процесс тепло- и массообмена. Это критериальное уравнение они представили в виде
Наиболее перспективным направлением представляется решение задачи теплообмена при конденсации бинарной смеси, основанное на рассмотрении системы дифференциальных уравнений, полученных из законов сохранения количества движения, энергии и массы для системы диффузионный паровой слой - пленка конденсата. Этот путь избрали авторы работы pqrrow nMqr.scHQcc анализировали ламинарную пленочную конденсацию неподвижных паров бинарной смеси взаимнорастворимых компонентов в жидкой фазе на изотермической вертикальной пластине. Авторы работы 32Г} .рассматривая теплоперенос в пленке конденсата, делают вывод, что он подчиняется теории Нуссельта и, следовательно, теплообмен при конденсации бинарной смеси может быть рассчитан по формуле (1.9). Основное внимание тогда Sorrow и Marscha L естественно, сосредоточили на рассмотрении процессов переноса в паровой области.
Записав для диффузионного парового слоя дифференциальные уравнения неразрывности, сохранения количества движения, энергии, массы, Sparrow/ и MarsckaK , затем привели их к виду, удобному для программирования. Задача решалась на ЭВМ для смеси метиловый спирт-вода. Вычисления производились для семи значений температуры пара в объеме -"Пю и полном давлении 100 кПа. Разность температур Too -Тст менялась от 35 К до нескольких градусов. Отношение Ясм/с , рассчитывалось по формуле (1.9), причем для однокомпонентного пара принималось Tnoi = T o=Ts .
В работе 1 3 отмечено, что при равенстве температуры пара в объеме 373 К и 337,5 К (температуры насыщения воды и метилового спирта, соответственно) отношение H /ct стремится к единице. Графическая интерпретация результатов расчета ограничена по оси абсцисс минимальным значением дТс/и = ю К. При меньших значениях АТСАД разность (Тгхо&- П.т ) о,5 К, что вызвало у авторов сомнение в правильности вычислений теплофизических свойств жидкости. Существование ярко выраженного максимума продольной скорости на рис. 1.7 для "Тст = 350 К свидетельствует о сильном влиянии свободной конвекции на перенос массы. При достаточно больших значениях /ГГ пл (зо К) влияние подсоса пара к поверхности за счет процесса фазового перехода, по-видимому, подавляет воздействие свободной конвекции.
Как следует из анализа кривых на рис. 1.8, при больших значениях АЛС.М (порядка 20 К) массовые доли компонентов в конденсате практически равны массовым долям компонентов в объеме пара. Этот результат обусловливает возможность разработки упрощенного метода расчета температуры поверхности раздела фаз. Для заданных параметров процесса - Р,Тво,Тст, У .оо значение температуры поверхности раздела равно температуре жидкости на кривой кипения (нижняя пограничная кривая на номограмме фазового равновесия пар-жидкость) при условии, что Хі-Чіо » (вертикальная линия на номограмме фазового равновесия, проведенная из точки У4о ).
Sparrow и Marset\a указывают границы применимости этого упрощенного метода расчета температуры поверхности раздела фаз при конденсации смеси метиловый спирт-вода, а именно:
Расчет процессов переноса при конденсации бинарной смеси на ЭВМ
Рассматривая зависимость о(см ?(АТіач] на рис. I.II, легко убедиться, что интенсивность теплообмена при конденсации бинарной смеси, особенно для области малых ЛГ-LCM , значительно меньше, чем при конденсации однокомпонентного пара. Качественный вид зависимости oCcM ff Tiovi) совпадает с предсказываемым в аналитической работе [32.] . Выдвигаемое авторами [ S?J утверждение о равенстве Тпо4 Т\не ( УА ) требует экспериментального подтверждения, в виду того, что, согласно [а&], это условие выполняется только при значительных АТСМ .
Исследованию теплообмена при конденсации бинарных смесей углеводородов на вертикальной поверхности посвящена работа [62. J Изучалась конденсация четырех бинарных смесей: н-пентана-н-гекса-на, метанола-метилан дихлорида, н-пентана-метанола, н-пентана--метилен дихлорида. Первые две смеси конденсируются с образованием взаимнорастворимых компонентов в жидкой фазе, вторые две - с образованием плохорастворимых конденсатов.
Поверхность теплообмена выполнялась в виде вертикально ориентированного плоского кольца, одновременно являющегося термометром сопротивления, позволяющим измерять среднюю температуру стенки. Тепловой поток определялся из баланса теплоты для охлаждающей воды. Измерения проводились при атмосферном давлении для различных значений температуры охлаждающей воды. Для каждой смеси исследования проводились при нескольких значениях концентрации компонентов в исходной смеси. Экспериментальный участок был выполнен из стекла, что позволяло проводить визуальные наблюдения.
Авторы [б Д отмечают, что кривая зависимости о(пл "»( пл J для исследуемых смесей (первых двух) находится соответственно между значений коэффициента теплоотдачи для отдельных компонентов смеси. При конденсации смеси н-пентана-н-гексана, когда коэффициенты теплоотдачи чистых ларов компонентов приблизительно равны, экспериментальные точки на зависимости о(мж Ь ( Тплу лежат около одной прямой.
Относительно конденсации двух других смесей, авторы Ц 2-"! указывают, что плохая растворимость компонентов в жидкой фазе имела место при определенных значениях концентрации компонентов в исходной смеси и малых значениях температурного напора. При этом, в отличие от обычного протекания процесса капельной конденсации, в смеси отсутствовал активатор. Значения коэффициента теплоотдачи были выше, чем при пленочной конденсации, но меньше чем при капельной. Этот факт еще раз подтверждает возникновение термического сопротивления в паровой фазе и при данном виде конденсации.
Авторам Q2-!l не удалось установить общих закономерностей возникновения смешанной конденсации. Одной из них они считают условие, при котором температура охлаждающей поверхность теплообмена жидкости выше чем температура насыщения одного из компонентов смеси при заданном давлении в системе.
Необходимо отметить, что в работе L62-3 детально исследовался вопрос о влиянии второго компонента смеси на процесс конденсации. По данным из t2Q наименьшее значение о(оц при конденсации смеси метанол-метилен дихлорид соответствует строго определенной величине (см. рис. І.І2) концентрации компонентов в исходной смеси ( «.мегв 0,7). При постоянном значении концентрации компонентов в исходной смеси увеличение /Лсм ведет к увеличению о(сл . Такой характер поведения зависимости (Жам- Т(АТСМУ не изменяется при различных Хиьх,м там.(за исключением кривой при «(Меп= 0,16), Чем меньше содержание одного компонента относительно другого при одном и том же значении дТсм , тем меньше влияние второго компонента на процесс, а для смеси метанол-метилен дихлорид приХцс ,Аит(цг 0 16 оно совсем вырождается.
В работе [47] использовались смеси: изобутан-н-бутан, пропан-изобутан-н-бутан, этан-пропан-изобутан-н-бутан. Поверхность теплообмена представляла горизонтальную медную трубку диаметром 20 мм и длиной I м. Теплота конденсации отводилась охлаждающей водой. Для визуальных наблюдений в конденсаторе имелось смотровое окно.
Все смеси конденсировались с образованием взаимнораствори-мых компонентов в жидкой фазе. При обработке опытных данных принималось, что температура поверхности раздела фаз равна температуре кипения емеси при исходной концентрации компонентов и заданном давлении в системе.
Результаты экспериментов для всех составов смеси подтвердили отличие в характере протекания процесса конденсации паров смесей от конденсации однокомпонентного пара. В [17] показано, что с увеличением температурного напора интенсивность теплоотдачи возрастает, причем при больших удельных тепловых нагрузках коэффициенты теплоотдачи приближаются к величинам о{ для чистых паров. Ход зависимостей о(см от Тс/и аналогичен приведенному на рис. І.І2.
Результаты экспериментального исследования теплообмена при конденсации бинарных смесей азот-кислород, азот-аргон
Так как температура поверхности раздела фаз заранее неизвестна, то ее действительное значение определялось методом последова-тельных приблизний. Первоначально принималось Т«в- - -. Далее проводились все вычисления, вплоть до решения системы (2.72) и проверялась сходимость уравнения баланса (2.78), при этом максимальная величина разбаланса была установлена равной 0,1. Если разбаланс уравнения (2.78) превышал установленное значение, то проводилось уточнение значения Тпоб . Новая величина Tnofc определялась по формуле Tnc& -v00 "" )/ , где Тпов являлось предыдущим значением температуры поверхности раздела. Если и при новом значении Тпоби . » требуемая точность сходимости баланса уравнения (2.78) не достигалась, то проводилось сравнение самих величин разбалансов с целью определения направления выбора TtwAta. Могло оказаться, что значение Тпоісчг. необходимо выбирать из другого интервала - от 7 до Тс.т . Тогда принималось, что Т1иигв П« і+Тс.т)/д и снова проводились вычисления по программе.
Таким образом, в процпссе решения хранятся два предыдущих значения Tnofej. , Taokbi и соответствующие им величины разбалансов уравнения (2.78). Такое построение блока уточнения значения Tnofc позволяло определить направление выбора действительного значения Tnofe . По достижении требуемой точности сходимости уравнения (2.78), печатались результаты расчета, и затем, осуществлялся переход к задаче с новым набором исходных данных.
Определяющие температуры для расчета тешюфизических свойств каждого компонента смеси вычислялись по формулам рекомендованным в ряде работ і5,згЗ . Определяющая температура для паровой фазы
Вычисление значений теплофизических свойств компонентов смеси выполнялось по аналитическим зависимостям, рекомендованным в L Gl» ЯРИ соответствующих определяющих температурах (2.85)-(2.86) и давлении в системе. Значения плотности пара рассчитывались по уравнению состояния идеального газа с учетом коэффициента сжимаемости. Относительное отклонение вычисленных параметров от опорных справочных данных, как следует из [46] , не превосходит 5% для всех величин в исследованном интервале изменения температур и давлений ( Р 0,6 МПа, дТ 20 К).
Нахождение мольных долей компонентов в паре и жидкости и связанных с ними посредством выражения (2.83) массовых долей проводилось на основании допущения, об идеальных свойствах смеси азот-кислород, азот-аргон. В начале, применяя интегральную форму уравнения Клапейрона-Клаузиуса, полученного в предположении, что пар является идеальным газом, а теплота парообразования не зависит от температуры, была найдена связь между давлением и температурой насыщения для каждого компонента (уравнение Антуана). Это уравнение с точностью до 3% описывает экспериментальные данные для азота, кислорода и аргона. Далее, используя законы Дальтона и Рауля для идеальной смеси и уравнение Антуана, получены расчетные зависимости мольных долей компонентов в жидкости и паре от температуры насыщения и давления. Смесь азот-кислород
Сравнение вычисленных значений Х /г и 9л/ с аналогичными величинами найденными из диаграммы фазового равновесия для смеси азот-кислород 25,іk [ , показало что в интервале изменения 0,79 XVe. О#П и 0,79 Ул/г 0,11 максимальное отклонение не превосходит 0,01, а в интервале от 0,11 до 0,79 - 0,04. Эти результаты косвенно подтверждают справедливость принятого допущения об идеальности смеси. Для увеличения точности расчета Лл ; У/Va, в интервале значений от 0,11 до 0,79 вводилась поправка (осредненная для всего интервала). Она составляла для Xt -- 0,0200 и для У/vl - 0,0339.
Справочная литература по определению тешгофизических свойств смесей 5,3$Л5Д рекомендует большой набор расчетных формул. Для некоторых тешгофизических свойств CjG , А расчет по законам аддитивности для реальных газовых смесей дает точность не хуже 15$. Так как теплофизические свойства, например азота и кислорода отличаются не слишком сильно, а смесь близка к идеальной, в программе определение тешгофизических свойств смеси выполнялось по закону аддитивности, за исключением соотношения для плотности жидкости, которое имело вид
